פיתוח ויישום של יחידות קירור תרמואלקטריות, מערכות קירור תרמואלקטריות

יחידת קירור תרמואלקטרית, מקרר פלטייה (הידוע גם כרכיבי קירור תרמואלקטריים) היא התקני קירור במצב מוצק המבוססים על אפקט פלטייה. יש לה יתרונות של חוסר תנועה מכנית, חוסר נוזל קירור, גודל קטן, תגובה מהירה ובקרת טמפרטורה מדויקת. בשנים האחרונות, יישומיהם בתחומי האלקטרוניקה הצרכנית, טיפול רפואי, רכב ותחומים אחרים המשיכו להתרחב.

א. עקרונות ליבה של מערכת קירור תרמואלקטרית ורכיביה

ליבת הקירור התרמואלקטרי היא אפקט פלטייה: כאשר שני חומרי מוליכים למחצה שונים (סוג P וסוג N) יוצרים זוג צמד תרמי ומופעל זרם ישר, קצה אחד של זוג הצמד התרמי יספוג חום (קצה הקירור), והקצה השני ישחרר חום (קצה פיזור החום). על ידי שינוי כיוון הזרם, ניתן להחליף את קצה הקירור ואת קצה פיזור החום.

ביצועי הקירור שלו תלויים בעיקר בשלושה פרמטרים מרכזיים:

מקדם תרמואלקטרי של ערך (ערך ZT): זהו מדד מפתח להערכת ביצועי חומרים תרמואלקטריים. ככל שערך ה-ZT גבוה יותר, כך יעילות הקירור גבוהה יותר.

הפרש הטמפרטורה בין הקצוות החמים והקרים: אפקט פיזור החום בקצה פיזור החום קובע ישירות את קיבולת הקירור בקצה הקירור. אם פיזור החום אינו חלק, הפרש הטמפרטורה בין הקצוות החמים והקרים יצטמצם, ויעילות הקירור תרד בחדות.

זרם עבודה: בטווח המדורג, עלייה בזרם משפרת את קיבולת הקירור. עם זאת, ברגע שמעבר לסף, היעילות תפחת עקב עלייה בחום הג'אול.

II היסטוריית הפיתוח ופריצות הדרך הטכנולוגיות של יחידות קירור תרמואלקטריות (מערכת קירור פלטייה)

בשנים האחרונות, פיתוח רכיבי קירור תרמואלקטריים התמקד בשני כיוונים עיקריים: חדשנות חומרית ואופטימיזציה מבנית.

מחקר ופיתוח של חומרים תרמואלקטריים בעלי ביצועים גבוהים

ערך ה-ZT של חומרים מסורתיים מבוססי Bi₂Te₃ עלה ל-1.2-1.5 באמצעות סימום (כגון Sb, Se) וטיפול בקנה מידה ננומטרי.

חומרים חדשים כמו טלוריד עופרת (PbTe) וסגסוגת סיליקון-גרמניום (SiGe) מתפקדים בצורה יוצאת דופן בתרחישים של טמפרטורות בינוניות וגבוהות (200 עד 500 ℃).

חומרים חדשים כגון חומרים תרמו-אלקטריים מרוכבים אורגניים-אי-אורגניים ומבודדים טופולוגיים צפויים להפחית עוד יותר עלויות ולשפר את היעילות.

אופטימיזציה של מבנה הרכיבים

תכנון מזעור: הכנת תרמופילים בקנה מידה מיקרוני באמצעות טכנולוגיית MEMS (מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות) כדי לעמוד בדרישות המזעור של מוצרי אלקטרוניקה צרכנית.

אינטגרציה מודולרית: חברו מספר יחידות תרמואלקטריות בטור או במקביל ליצירת מודולי קירור תרמואלקטריים בעלי הספק גבוה, מצנני פלטייר, התקני פלטייר, העומדים בדרישות קירור תרמואלקטרי ברמה תעשייתית.

מבנה פיזור חום משולב: שלב את צלעות הקירור עם צלעות פיזור החום וצינורות החום כדי לשפר את יעילות פיזור החום ולהפחית את הנפח הכולל.

III תרחישי יישום אופייניים של יחידות קירור תרמואלקטריות, רכיבי קירור תרמואלקטריים

היתרון הגדול ביותר של יחידות קירור תרמואלקטריות טמון באופיין במצב מוצק, פעולתן ללא רעש ובקרת הטמפרטורה המדויקת. לכן, הן תופסות מקום שאין לו תחליף בתרחישים שבהם מדחסים אינם מתאימים לקירור.

בתחום מוצרי האלקטרוניקה הצרכנית

פיזור חום של טלפונים ניידים: טלפונים מתקדמים לגיימינג מצוידים במודולי קירור תרמואלקטריים מיקרו, מודולי TEC, התקני פלטייה, מודולי פלטייה, אשר בשילוב עם מערכות קירור נוזלי, יכולים להוריד במהירות את טמפרטורת השבב, ולמנוע הפחתת תדר עקב התחממות יתר במהלך המשחק.

מקררי רכב, מקררי רכב: מקררי רכב קטנים משתמשים בעיקר בטכנולוגיית קירור תרמואלקטרית, המשלבת פונקציות קירור וחימום (ניתן להשיג חימום על ידי החלפת כיוון הזרם). הם קטנים בגודלם, בעלי צריכת אנרגיה נמוכה ותואמים לספק הכוח 12V של רכב.

כוס קירור למשקאות/כוס מבודדת: כוס הקירור הניידת מצוידת בצלחת קירור מיקרו מובנית, שיכולה לקרר משקאות במהירות ל-5 עד 15 מעלות צלזיוס מבלי להסתמך על מקרר.

2. תחומים רפואיים וביולוגיים

ציוד בקרת טמפרטורה מדויקת: כגון מכשירי PCR (מכשירי תגובת שרשרת פולימראז) ומקררי דם, דורשים סביבה יציבה בטמפרטורה נמוכה. רכיבי קירור של מוליכים למחצה יכולים להשיג בקרת טמפרטורה מדויקת בטווח של ±0.1℃, ואין סיכון לזיהום נוזל קירור.

מכשירים רפואיים ניידים: כגון קופסאות קירור לאינסולין, שהן קטנות בגודלן ובעלות חיי סוללה ארוכים, מתאימות לחולי סוכרת לנשיאה ביציאה, ומבטיחות את טמפרטורת האחסון של האינסולין.

בקרת טמפרטורה של ציוד לייזר: רכיבי הליבה של מכשירי טיפול בלייזר רפואי (כגון לייזרים) רגישים לטמפרטורה, ורכיבי קירור המוליכים למחצה יכולים לפזר חום בזמן אמת כדי להבטיח פעולה יציבה של הציוד.

3. תחומי תעשייה ותעופה

ציוד קירור תעשייתי בקנה מידה קטן: כגון תאי בדיקת הזדקנות רכיבים אלקטרוניים ואמבטיות טמפרטורה קבועות למכשירים מדויקים, הדורשים סביבה מקומית בטמפרטורה נמוכה, יחידות קירור תרמואלקטריות, ניתן להתאים אישית רכיבים תרמואלקטריים עם עוצמת קירור לפי הצורך.

ציוד חלל: מכשירים אלקטרוניים בחלליות מתקשים לפזר חום בסביבת ואקום. מערכות קירור תרמואלקטריות, יחידות קירור תרמואלקטריות, רכיבים תרמואלקטריים, כהתקנים במצב מוצק, הם אמינים ביותר וללא רעידות, וניתן להשתמש בהם לבקרת טמפרטורה של ציוד אלקטרוני בלוויינים ובתחנות חלל.

4. תרחישים מתעוררים אחרים

מכשירים לבישים: קסדות קירור וחליפות קירור חכמות, עם לוחות קירור תרמו-אלקטריים גמישים מובנים, יכולים לספק קירור מקומי לגוף האדם בסביבות טמפרטורה גבוהה ומתאימים לעובדים בחוץ.

לוגיסטיקה של שרשרת קור: קופסאות אריזה קטנות בשרשרת קור, המופעלות על ידי קירור תרמואלקטרי, קירור פלטייר וסוללות, יכולות לשמש להובלה למרחקים קצרים של חיסונים ותוצרת טרייה מבלי להסתמך על משאיות קירור גדולות.

IV. מגבלות ומגמות פיתוח של יחידות קירור תרמואלקטריות, רכיבי קירור פלטייר

מגבלות קיימות

יעילות הקירור נמוכה יחסית: יחס יעילות האנרגיה (COP) שלו הוא בדרך כלל בין 0.3 ל-0.8, שהוא נמוך בהרבה מזה של קירור מדחס (COP יכול להגיע ל-2 עד 5), ואינו מתאים לתרחישי קירור בקנה מידה גדול ובעלי קיבולת גבוהה.

דרישות פיזור חום גבוהות: אם לא ניתן לפרוק את החום בקצה פיזור החום בזמן, הדבר ישפיע קשות על אפקט הקירור. לכן, יש לצייד אותו במערכת פיזור חום יעילה, דבר המגביל את היישום בתרחישים קומפקטיים מסוימים.

עלות גבוהה: עלות ההכנה של חומרים תרמואלקטריים בעלי ביצועים גבוהים (כגון Bi₂Te₃ מסומם בננו) גבוהה מזו של חומרי קירור מסורתיים, וכתוצאה מכך מחירם גבוה יחסית של רכיבים יוקרתיים.

2. מגמות פיתוח עתידיות

פריצת דרך בחומרים: פיתוח חומרים תרמואלקטריים בעלי ערך ZT גבוה ובעלות נמוכה, במטרה להעלות את ערך ה-ZT בטמפרטורת החדר ליותר מ-2.0 ולצמצם את פער היעילות עם קירור באמצעות מדחס.

גמישות ואינטגרציה: פיתוח מודולי קירור תרמואלקטריים גמישים, מודולי TEC, מודולים תרמואלקטריים, התקני פלטייה, מודולי פלטייה, מקררי פלטייה, כדי להתאים להתקנים עם משטחים מעוקלים (כגון טלפונים ניידים עם מסכים גמישים ומכשירים לבישים חכמים); קידום שילוב של רכיבי קירור תרמואלקטריים עם שבבים וחיישנים כדי להשיג "בקרת טמפרטורה ברמת השבב".

תכנון חיסכון באנרגיה: על ידי שילוב טכנולוגיית האינטרנט של הדברים (IoT), מושגות הפעלה-עצירה חכמות וויסות צריכת חשמל של רכיבי הקירור, מה שמפחית את צריכת האנרגיה הכוללת.

סיכום

יחידות קירור תרמואלקטריות, יחידות קירור פלטייר ומערכות קירור תרמואלקטריות, עם יתרונותיהן הייחודיים של היותן במצב מוצק, שקטות ובעלות בקרת טמפרטורה מדויקת, תופסות מקום חשוב בתחומים כמו מוצרי אלקטרוניקה, טיפול רפואי וחלל. עם השדרוג המתמיד של טכנולוגיית חומרים תרמואלקטריים ותכנון מבני, סוגיות יעילות הקירור והעלות שלהן ישתפרו בהדרגה, והן צפויות להחליף את טכנולוגיית הקירור המסורתית בתרחישים ספציפיים יותר בעתיד.